UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CENTRO DEL PERÚFACULTAD DE INGENIERÍA QUÍMICA

DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA

Trabajo Aplicativo

I

Presentado al:

Ing. Román Justo CALDERÓN CÁRDENAS. Facilitador del curso

052 B “FUNDAMENTOS DE INGENIERIA QUIMICA”

Realizado por:

ORE MATOS, KATHERINE ALEXANDRAARAUJO GONZALO, DENISMONTALVAN ZUÑIGA, MARCEALDABA AGUILAR, FIORELLA Alumno del V ciclo de Ingeniería Química.

Huancayo, 29 de Noviembre del 2011

PROCESO PARA LA PRODUCCIÓN DE CAL VIVA

INTRODUCCION

La piedra caliza es usada, directamente en su forma pura, o indirectamente como cal, en muchas industrias. La producción de cal es uno de los procesos químicos más antiguo conocido por el hombre, data de civilizaciones ancestrales como Grecia, Roma y Egipto. Hoy, la cal es usada en la producción de cemento, jabón, acero, caucho, productos farmacéuticos, barniz, insecticidas, alimentos para planta, alimentos para animales, papel, yeso. Muchos tipos de productos, producidos alrededor del mundo, son, en una forma u otra, producidos empleando cal.

La producción de cal es una parte integral de cualquier sociedad moderna. Sin embargo, muchas regiones aún usan cal importada de otras naciones del mundo, a pesar del hecho que la producción local sería menos cara.

Lo que hace esta situación particularmente inusual es el hecho que la maquinaria y la asistencia técnica necesaria para producir cal está fácilmente disponible y es obtenida de un número de compañías ubicadas en países alrededor del mundo tales como Taiwán, en la República de China. Diferentes métodos y tipos de maquinaria pueden ser usados para producir cal, pero son poco comparables a los métodos y maquinarias empleadas por la planta descrita en este estudio. Esta es particularmente el establecimiento y operación de la planta, el cual puede ser operado con unos pocos trabajadores por turno (4 operarios)

China ha investigado y desarrollado muchos procesos de la ingeniería química por más de 20 años y compañías de Taiwán han ganado reconocimiento internacional por la planeación, diseño y manufactura de equipos necesarios para producir un número de productos químicos incluyendo carbonato de calcio, dióxido de carbono comprimido, hielo seco y, por supuesto, cal viva y cal hidratada.

Entonces, está claro que no es práctico para una región importar cal si puede en forma barata y fácil establecer una planta abasteciéndose de China para producir esta sustancia natural ancestral, esencial para cualquier nación moderna.

RESUMEN

Este informe trata sobre el sistema de operación y el proceso que sigue la piedra caliza

para su posterior conversión en cal; el proceso de producción de cal nos conlleva a

realizar un balance de materia en el horno; para lo cual es necesario conocer el

análisis químico promedio de la piedra caliza, análisis mineralógico y la humedad que

contiene el material así como de diversas características de que la materia prima

presenta durante su procesamiento.

También se cuenta como dato de que la ley del producto de calcinación es de 85 a 95

% de CaO; con mayor incidencia en 91 % de CaO como producto y una completa

conversión de MgCO3; estos datos se consideran de esa manera ya que luego de un

estudio preliminar en diversas plantas de producción de cal la eficiencia es la que

estamos tomando como información valiosa para el diseño.

OBJETIVOS

OBJETIVOS GENERALES

la producción de cal en su mejor calidad.

OBJETIVOS ESPECÍFICOS:

Determinar un Balance de materia para la producción de cal.

Dimensionar algunos equipos Tanques de almacenamiento, horno.

Determinar el potencial económico en la producción de cal para ver la

factibilidad económica.

MARCO TEORICO

La piedra caliza es usada, directamente en su forma pura, o indirectamente como cal, en muchas industrias. La producción de cal es uno de los procesos químicos más antiguo conocido por el hombre, data de civilizaciones ancestrales como Grecia, Roma y Egipto. Hoy, la cal es usada en la producción de cemento, jabón, acero, caucho, productos farmacéuticos, barniz, insecticidas, alimentos para planta, alimentos para animales, papel, yeso. Muchos tipos de productos, producidos alrededor del mundo, son, en una forma u otra, producidos empleando cal.

1.1 CAL:Existen dos tipos de cal: La cal viva (CaO), la cal apagada (Ca(OH)2) también

existe la lechada de cal que no es mas que cal hidratada con un exceso de agua. La fabricación de cales comprende dos procesos químicos: calcinación e hidratación.

La cal viva es obtenida a partir de la calcinación de la caliza(CaCO3) por la siguiente reacción:

CaCO3 → CaO + CO2

La cal apagada se obtiene a partir de la cal viva haciendo una reacciónestequiometria con agua, esta reacción es exotérmica:

CaO + H2O → Ca (OH)2

Por lo tanto la fabricación de cales comprende dos procesos químicos: calcinación e hidratación, a las cuales van asociados las operaciones de transporte, trituración y pulverización de la caliza además de la separación por aire y el almacenamiento adecuado de la cal obtenida para evitar los procesos de recarbonatación:

Ca (OH)2 + CO2 → CaCO3 + H2O

1.2 PROCESO DE CALCINADO

El proceso de calcinación de la caliza ocurre en hornos del tipo rotatorio y vertical, pero la caliza que se introduce a estos hornos no puede ser cualquier caliza:

La caliza no puede ser muy porosa o muy húmeda debido a que esto aumenta la demanda de combustible.

La caliza utilizada no debe tener impurezas del tipo partículas de Si debido a que esta reacciona con el CaO formando silicatos, los cuales se acumulan en el fondo de los hornos, obstruyendo el paso del material

1.2.1 Ejemplos de hornos de calcinado

Los hornos utilizados son de distinto tipo, estos pueden ser:

Rotativos

Usados generalmente para calcinar una caliza con un tamaño pequeño de partícula (6-60mm)

Equipados generalmente con calentadores previos y refrigerantes

Están mejor equipados para la obtención de una cal de calidad debido a su instrumentación

Produce una cantidad máxima de cal por hombre-hora Su gran desventaja es su alto consumo de combustible

Verticales

Usados generalmente cuando la cal obtenida no requiere de una gran pureza

Son más simples Constan de un alimentador de combustible y una correa

calentadora Rendimiento de combustible es mayor que el horno rotativo

Actualmente existen hornos más modernos.

1.3FACTORES QUE INFLUYEN EN LAS PROPIEDADES DE LA CAL OBTENIDA

Muchas de las propiedades de la cal dependen de la calidad de la caliza utilizada como también del proceso de calcinado, y de estas propiedades, dependen los usos que se le dé a la cal, aquí hay un breve resumen de estos factores que influyen en las propiedades de la cal obtenida:

La dureza de la cal obtenida, depende de las impurezas de la caliza utilizada como también de la temperatura de calcinación, una impura, da una cal dura si se calcina a temperaturas elevadas.

La porosidad - y como consecuencia la densidad – de las cales también depende de la temperatura de calcinación, a mayor temperatura menor porosidad y por lo tanto una mayor densidad, como consecuencia de esto a mayor temperatura, la cal va perdiendo actividad química, es por esta razón que conviene sintetizar la cal a temperaturas lo más cercanas a la temperatura de disociación de la caliza.

Las calizas que contienen entre un 15 – 30 % de materia arcillosa produce cales altamente hidráulicas (cales cementicias)

1.4 USOS DE LA CAL Y CARACTERÍSTICAS DE LA CALIZA DE DONDE SE OBTIENEN ESTAS CALES

Respecto a los usos que se le de a la cal obtenida dependen los distintos grados de pureza que requiera la caliza, por ejemplo para la cal usada en la industria se requiere un grado de pureza mucho mayor de la caliza, si lo comparamos con la pureza requerida para usos agrícolas así para cada uso se dan características de la caliza para satisfacer necesidades y aquí se presenta un resumen:

Para usos industriales

Gran parte de la caliza no sirve por problemas de pureza, por esta razón gran parte de la cal se obtiene a partir de conchas de mar las cuales son basadas en CaCO3 puro.

Para usos en construcción

La cal se usa principalmente en enlucidos y estuco principalmente como cal hidráulica la cual contiene gran cantidad de impurezas silíceas por que debido a esto la cal hidráulica fragua bajo el agua y tiene propiedades plásticas, generalmente se usa como sustituto del cemento, la cal hidratada se usa para la fabricación de ladrillos de cal los cuales consisten en la cal hidráulica más arena los cuales juntos forman silicatos monocálcicos los cuales tienen propiedades aislantes, por esto mismo se agrega a algunas carreteras de arena cal hidráulica para formar silicatos sobre esta y así formar un “ cemento natural” donde obviamente no se requiere cal de gran pureza.

Para usos agrícolas

La cal se usa generalmente para neutralizar los ácidos presentes en el suelo aunque se usa más la caliza directamente para estos fines en donde se requiere poca pureza

Para usos metalúrgicos

La cal viva tiene un gran uso como fundente en la manufactura del acero donde se requiere una cal de una gran pureza, además la cal se usa en el trefilado de alambres como lubricante, también se usa en la fabricación de lingotes en moldes de hierro para evitar la adherencia de estos lingotes, otro uso de la cal es para neutralizar los ácidos con los que se limpian los productos del acero, en este sentido se prefiere la cal para neutralizar que la caliza debido a que la caliza produce CO2 al contacto con ácidos lo cual es un problema debido a que puede generar asfixias en los que lo manipulan. La lechada de cal se usa como aislante temporal a la corrosión, en el recocido del acero, se usa además en casi todos los procesos para la extracción de Mg, también para recuperar la sílice de la bauxita, se emplea en la flotación de minerales no férreos donde actúa como depresor y mantiene la alcalinidad correcta, para todos estos usos metalúrgicos se requiere una cal de una pureza superior a las anteriores y como consecuencia una caliza de una pureza mayor de donde sintetizar esta cal.

Para usos varios

Se usa la lechada de cal para neutralizar los gases nocivos producidos en la refinación de metales, gases como H2S, SO2.

Se usa la cal hidratada para la fabricación de NaOH por la siguiente reacción:

Ca (OH)2 + Na2CO3 → 2NaOH + CaCO3.

También se usa en la fabricación de carburo de calcio cuando reacciona esta con coque. La cal se usa también en el tratamiento de residuos de la industria del papel. Y en el tratamiento de las aguas potables para mejorar su calidad y también para ablandar agua, junto con sales de hierro se usa para coagular sólidos suspendidos en el agua y también para neutralizar el “agua ácida” que produce la corrosión de las cañerías.

1.5 EJEMPLO DE ALGUNOS USOS DE LA CAL

Producción de acetileno

CaO + 2C (coque) → CaC2 (carburo)

CaC2 + H2O → CHCH (acetileno) + Ca (OH)2

Ablandamiento de aguas

CaO + H2O → Ca+2 +2OH-

OH- + HCO3- → CO3

-2 + H2O

CO3-2 + Ca2+ → CaCO3¯

1.5.1VARIEDADES COMERCIALES

Cal Viva

Material obtenido de la calcinación de la caliza que al desprender anhídrido carbónico, setransforma en óxido de calcio. La cal viva debe ser capaz de combinarse con el agua, para transformarse de óxido a hidróxido y una vez apagada (hidratada), se aplique en la construcción, principalmente en la elaboración del mortero de albañilería.

Cal hidratada

Se conoce con el nombre comercial de cal hidratada a la especie química de hidróxido de calcio, la cual es una base fuerte formada por el metal calcio unido a dos grupos hidróxidos. El óxido de calcio al combinarse con el agua se transforma en hidróxido de calcio.

1.6COMBUSTIBLE UTILIZADO PARA LA COMBUSTION:

1.6.1PETROLEO RESIDUAL No 6

Debido a que la calidad de la cal producida por el horno está ligada deforma directa con la calidad del combustible, es necesario analizar el efecto decombustión del mismo. Para el análisis de la combustión se considera que la combustión es completa con un exceso de aire del 20%.

El combustible que se utiliza en el proceso es el Fuel Oil Nº 6 (Bunker C), elporcentaje de los elementos presentes en dicho combustible se presenta en la tabla .

Composición del combustible Fuel Oil Nº 6

La siguiente tabla muestra los porcentajes de los elementos de la composicióncorregida del combustible, debido a la presencia de ceniza.

2. DESCRIPCION DE LA TECNOLOGÍA

2.1Calcinación:

Es el proceso metalúrgico que consiste en someter a los carbonatos a

temperaturas altas con el objetivo de producir la cal (CaO o MgO).

2.2Reacciones:

Las reacciones se dan a partir de la piedra caliza de alto calcio ó dolomita por

calcinación en un horno de calcinación, donde las reacciones químicas son:

CaCO3 (caliza)+calor CaO +CO2

CaCO3.MgCO3+calor CaO.MgO (cal)+CO2

MgCO3+calor MgO+CO2

Nota:

El tipo de material de CaCO3con las cuales se va a diseñar la planta es la

calcita.

2.3Rangos de Producción:

Dentro de los rangos de operación para la producción teórica se toma como

base:

100 Kg de CaCO3 produce 56 Kg de CaO y 44 Kg de CO2.

100 Kg de CaCO3.MgCO3 produce 52 Kg de CaO.MgO y 48 Kg de CO2.

100 Kg de MgCO3 produce 48 Kg de MgO.

2.4 Temperatura de Descomposición y Poder Calorífico:

La piedra caliza empieza a descomponerse a partir de 900 ºC requiriéndose un

poder calorífico de 2.77 *10 6BTU/Ton ó 770 Kcal/Kg.

Mientras que la dolomita comienza a descomponerse a una temperatura

aproximada de 600ºC a 700ºC con una necesidad de 2.66 *106BTU/Ton ó 739

Kcal/Kg. como poder calorífico esto debe de tomarse incluso para operaciones

muy ineficaces o de bajo rendimiento.

2.5Tamaño de Alimentación y Tiempo de Calcinación:

La distribución por tamaño de caliza alimentada para todos los sistemas de

calcinación puede variar desde 250 micrones a 200 micrones.

Las partículas más pequeñas se calcinan más rápido y son usados en sistemas

de corto tiempo de retención y calcinadores de suspensión con tiempos de

retención de 2 a 30 minutos.

Las grandes piezas de caliza requieren de largos tiempos de retención que varía

entre 5 a 20 horas y los hornos que operan con este rango de tamaño son los

de tipo chimenea (altos hornos), donde el alimento se puede encontrar hasta

sobre 8 pulgadas.

2.6Criterio de la calidad del Producto:

El tamaño de la partícula se relaciona directamente con la temperatura y

tiempo de calcinación.

Las características físicas y químicas de la cal producida y una distribución por

tamaños muy uniformes del alimento son necesarias para producir una cal de

buena calidad.

Un quemado fuerte, denso, baja superficie y material poroso con baja

reactividad es obtenido a alta temperatura.

Un quemado suave, liviano, con alta superficie y cal porosa con alta reactividad

es producida a bajas temperaturas.

Las temperaturas de calcinados medidos en diferentes sistemas de calcinación,

varían sobre un amplio rango de 950 a1480ºC ,dependiendo de los métodos de

medición (temperatura del material, temperatura de conductos, temperatura

de gas o temperatura de llama),de los tipos de combustible usado y

propiedades deseadas de los productos.

2.7Tipos de Hornos para la Calcinación de Carbonatos:

Hornos Rotatorios Primarios: De 3/8 ”* 13/4” de alimento que opera entre

rangos de 1120 y 1350ºC. Un producto duro o productos quemados a

muerte son obtenidos en rangos de temperatura sobre 1315ºC. En ciertos

países como (EEUU), el 90 % de la cal producida proviene de hornos

rotatorios.

Hornos Tipo Chimenea: Generalmente producen una cal de baja calidad,

además de tener bajo consumo de combustible y bajo costo de inversión.

Este tipo de horno en su forma más simple es un cilindro vertical,

alimentado desde su cima con roca calcárea chancada, usualmente más

grande que tres pulgadas y no mayor de 12 pulgadas.

Los hornos tipo chimenea tienen distintas zonas; comenzando por la cima,

la caliza primero es secada, luego precalentada, calcinada y finalmente

enfriada.

El flujo de gas a través de un lecho de rocas formadas irregularmente, es

también irregular, ocasionando encauzamientos frecuentes y por eso

muchos tipos de horno de chimenea con variaciones han sido propuestos

para conseguir un calentamiento uniforme de la caliza y así tener un

producto uniforme.

Piedra caliza

3.1 DIAGRAMA DE BLOQUES

AIRE

COBUSTIBLE

3

4

5

ALMACENADO

PULVERIZADO

2

HORNEADO

1

MATERIA PRIMA CALIZA

3.2 DIAGRAMA DE OPERACIONES

CAL EMPAQUETADA

EMPAQUES

COMBUSTIBLE

GASES DE COMBUSTION

CALIZA

COLOCACION DEL QUEMADOR

SE QUITA LA TAPADERA

DESCARGA Y EMPAQUE DE CAL

LIMPIEZA DEL HORNO

PROCESO DE ENFRIAMIENTO

PROCESO DE QUEMA

SE CALIENTA EL HORNO

COLOCACION TAPADERA

LLENADO DEL HORNO

ARMADO DEL HORNO

2

34

5

6

7

89

10

1

LEYENDAEQUIPOS NOMBRE DEL EQUIPOB-110 Horno de calcinaciónN-120 Quemador

2

N - 120

B - 110

5

41

3

CAPITULO IV

4.1 BALANCE DE MATERIA:Base de cálculo: 12 kg de producción por día

Tenemos el análisis del producto:

COMPUESTO COMPOSICION (%) CaO 91.0346

CaCO3 1.0904

MgO 0.7409

SiO2 1.5506

AL2O3 0.6550

Fe2O3 2.2055

Otros 2.7231

Tenemos los pesos moleculares:CaCO3 MgCO3 MgO CaO CO2

100 84 40 56 44

Determinando el peso de cada compuesto en la salida:

kg deCaO SALIDA=10Kg producto∗0.910346=9.10346KgdeCaO

KgdeCaCO3salida

=10Kgproducto∗0 . 010904=0 .10904KgCaCO3

KgdeMgOsalida=10Kgproducto∗0 . 007409=0 .07409KgMgO

KgdeSiO2salida

=10Kgproducto∗0 . 015506=0 .15506KgSiO2

KgdeAl2O3salida

=10Kgproducto∗0 .006550=0 . 06550 Al2O3

KgdeFeO2salida

=10Kgproducto∗0 .022055=0 .22055KgFeO2

Kgdeotrossalida=10Kgproducto∗0 . 027231=0. 27231Kgotros

Tenemos a la salida del horno:

Para la reacción:CaCO3 (caliza)+calor CaO +CO2

MgCO3+calor MgO+CO2

Determinando el peso de CaCO3 en la alimentación:

Determinado el peso de los otros componentes de la caliza a partir del cuadro de análisis de la materia prima en la región Junín:

COMPUESTOS %

CaCO3 94.96

MgCO3 0.90

SiO2 0.90

Al203 0.38

Fe2O3 1.28

Otros 1.58

COMPUESTO

Peso (Kg)

CaO 9.10346

CaCO3 0.10904

MgO 0.07409

SiO2 0.15506

AL2O3 0.06550

Fe2O3 0.22055

Otros 0.27231

KgdeCaCO3reaccionado

=9 .10346KgCaO producido (100KgCaCO3reaccionado

56KgCaOproducido )=16 . 25617KgCaCO3reaccionado

KgdeCaCO3a limentado

=16. 25617KgCaCO3reaccionado

+0. 5452KgCaCO3no−reaccionado

=16 . .79KgCaCO3a limentado

KgdeMgCO3a limentacion

=16 .25617KgdeCaCO3∗( 0 . 90KgdeMgCO394 . 96KgdeCaCO3 )=0 . 15407KgMgCO3

alimentacion

Tenemos en la alimentación del horno:

COMPUESTOS Peso (Kg)

CaCO3 16.25617

MgCO3 0.15407

SiO2 0.15407

Al203 0.065052

Fe2O3 0.219122

Otros 0.270479

Cálculo de CO2 generado:

Según la reacción:

CaCO3 (caliza)+calor CaO +CO2

KgdeAl2O3a lim entacion

=16 . 25617KgdeCaCO3∗( 0. 38KgdeAl2O3

94 . 96KgdeCaCO3 )=0 . 065052KgAl2O3alim entacion

KgdeFe2O3a limentacion

=16. 25617 KgdeCaCO3∗( 1 .28KgdeFe2O3

94 . 96KgdeCaCO3 )=0 . 219122KgFe2O3a limentacion

KgdeSiO2alimentacion

=16 . 25617KgdeCaCO3∗( 0 . 90KgdeMgSiO294 .96KgdeCaCO3 )=0 .15407KgSiO2

alimentacion

Kgdeotrosalimentacion=16 . 25617KgdeCaCO3∗( 1. 58Kgdeotros94 .96KgdeCaCO3 )=0 .270479Kgotros3

alimentacion

KgdeCO2producido

=9 .10346KgCaO producido(44KgCO2producido

56KgCaOproducido )=7 .152KgCO2producido

HORNOCOMPOSICIÓN DE LA CALCINA

CaO 9.10346Kg CaCO3 0.10904KgMgO 0.07409KgSiO2 0.15506Kg Al2O3 0.06550Kg Fe2O3 0.22055Kg Otros 0.27231KgTOTAL 10.00Kg

MgCO3+calor MgO+CO2

Dado que la materia prima tiene una humedad de 5% entonces:

BALANCE DE MATERIA DE LA CALIZA PARA EL HORNO

COMPOSICIÓN DE LA CALIZA

CaCO316.25617KgMgCO3 0.15407KgSiO2 0.15407Kg Al2O3 0.065052Kg Fe2O3 0.219122KgOtros 0.270479 Kg H2O 2.881037KgTOTAL 20.114Kg

COMPOSICIÓN DE LOS GASESCO2 7.23349Kg H2O 2.881037KgTOTAL 10.114Kg

KgdeCO2producido−en−reaccion

=0 .081499+7 .152=7 . 23349KgdeCO2producido−en−reaccion

KgdeCO2producido

=0 .07409KgMgOproducido(44KgCO2producido

40KgMgOproducido )=0 .081499KgCO2producido

KgdeH 2Oen−materia−prima=4 .2921KgdeH 2Oen−materia−prima

Figura 5.1 Formación de CaO

Figura 5. 2 Esquema de funcionamiento del horno

CONCLUSIONES:

Laproducciónde cal se obtuvo satisfactoriamente de donde se puede evaluar los aspectos

importantes y concluir que es factible laproducción de cal.

Se determinó el balance de materia en una planta de producción de cal.

Se determinó la factibilidad económica concluyendo :

Se obtuvo un gasto mínimo para su obtención $ 30.00 nuevos soles

BIBLIOGRAFÍA

1. PERRY R, Chemical Engineers’ Handdbook, 7ª Edición, Editorial McGraw-

Hill, Estados Unidos, 1999.

2. CENGEL Y, Termodinámica Tomo II, 2ª Edición, Editorial Mc Graw-Hill,

México, 2000.

3. INCROPERA F, Fundamentos de Transferencia de Calor, 4ª Edición,

Editorial Prentice Hall, México, 1999.

4.- HOUGEN, WATSON Y RAGATS “Principios de los procesos Químicos”. Edit . Reverte S.A

U.S.A. 1986.

5. - wwwces.iisc.ernet.in/energy/HC27079/HDL/spanish/sk01ms/sk01ms09.html

6. - wwwcalalbors.com.ar/historial.htm

7. - www.quiminet.com.mx/sh9/sh_armRsDFarmaasd.htm

6.3 ANEXOS:

Figura 1: Diagrama de flujo grafico para una planta de producción de cal